JP5074922B2 - Method for producing porous semiconductor film on substrate - Google Patents

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Description

本発明は、多孔質半導体膜の製造方法と、そのような製造から得られる膜に関する。さらに、そのような膜を組み込んだ電子デバイスと、そのような膜の可能な使用に関する。   The present invention relates to a method for producing a porous semiconductor film and a film obtained from such production. Furthermore, it relates to electronic devices incorporating such membranes and possible uses of such membranes.

単結晶太陽電池(solar cell、ソーラーセル)は〜25%ほどの高いエネルギー変換効率を示す。Si系結晶はもはや単結晶ではなく多結晶であり、最も高い効率は〜18%の範囲であり、アモルファスSiでは効率は〜12%である。しかし、Si系の太陽電池は、アモルファスSi版ですら、製造するにはむしろ高すぎる。従って、有機材料及び/または有機及び無機材料の混合物に基づいて代替物が開発されてきて、後者のタイプの太陽電池はしばしばハイブリッド太陽電池と称せられる。有機及びハイブリッド太陽電池は製造するのがより安いことが証明されてきたが、アモルファスSiセルと比べてさえもまだ効率が同等に低いようである。軽量、大面積の低コストの製造、環境に優しい材料、あるいは可撓性基板の製造などの、それらの可能な固有の利点に起因して、効率的な有機デバイスが、技術的及び商業的に有用な「プラスチック太陽電池」であることを証明するかもしれない。色素増感ナノ結晶酸化チタン(多孔質TiO)半導体及び液体酸化還元電解液に基づく太陽電池の近年の進展は、有機材料における高いエネルギー変換効率を証明する(非特許文献1)。 Single crystal solar cells (solar cells) exhibit energy conversion efficiencies as high as ˜25%. Si-based crystals are no longer single crystals but polycrystalline, with the highest efficiency in the range of ˜18% and with amorphous Si the efficiency is ˜12%. However, even Si-based solar cells are rather expensive to manufacture even an amorphous Si plate. Accordingly, alternatives have been developed based on organic materials and / or mixtures of organic and inorganic materials, the latter type of solar cells often being referred to as hybrid solar cells. Organic and hybrid solar cells have been proven to be cheaper to manufacture, but appear to be equally low in efficiency, even compared to amorphous Si cells. Due to their possible inherent advantages such as lightweight, large area, low cost manufacturing, environmentally friendly materials, or flexible substrate manufacturing, efficient organic devices are technically and commercially available May prove to be a useful "plastic solar cell". Recent developments in solar cells based on dye-sensitized nanocrystalline titanium oxide (porous TiO 2 ) semiconductors and liquid redox electrolytes demonstrate high energy conversion efficiency in organic materials (Non-Patent Document 1).

分子色素による増感されたTiOのナノ結晶に基づく光電気化学電池(色素増感太陽電池、DSSC)は、効率のよい光起電デバイスとしての最初のそれの発表以来、注目を集めてきた(非特許文献1,上記参照;特許文献1)。継続中の研究の一部は、そのようなセルの可撓性基板上への可能な適用と、それを用いた可撓性太陽電池の製造の可能性である。そのような可撓性DSSCの成功した導入に先立って解決されるべき主たる挑戦の1つは、プラスチック基板に適用可能な限定された温度範囲である。主として、用いられたTiOナノ粒子は、450℃程度に高い温度の印加によって、良好な電気的接触状態にされる。そのような工程は、これらの基板を用いたセルの効率をこれまで限定する可撓性プラスチック基板に適用できない。他の焼結方法に関して、可撓性DSSCの最も見込みのある製造方法は、これまでTiO層に高い圧力を印加してきた(非特許文献2;特許文献2;非特許文献3;非特許文献4)。さらに、化学的な焼結(chemical sintering)が小さな成功をもって適用されてきた(非特許文献5;非特許文献6)。両方法の組み合わせ、即ち、温度焼結と化学的な焼結がまた、ほんの小さな改善へと導く(非特許文献7)。 Photoelectrochemical cells (dye-sensitized solar cells, DSSC) based on nanocrystals of TiO 2 sensitized with molecular dyes have attracted attention since its first announcement as an efficient photovoltaic device (Non-Patent Document 1, see above; Patent Document 1). Part of the ongoing work is the possible application of such cells on flexible substrates and the possibility of manufacturing flexible solar cells using them. One of the major challenges to be solved prior to the successful introduction of such flexible DSSCs is the limited temperature range applicable to plastic substrates. Primarily, the TiO 2 nanoparticles used are brought into good electrical contact by application of a temperature as high as 450 ° C. Such a process is not applicable to flexible plastic substrates that limit the efficiency of cells using these substrates. Regarding other sintering methods, the most promising manufacturing method of flexible DSSC has so far applied high pressure to the TiO 2 layer (Non-patent document 2; Patent document 2; Non-patent document 3; Non-patent document). 4). Furthermore, chemical sintering has been applied with little success (Non-Patent Document 5; Non-Patent Document 6). The combination of both methods, namely temperature sintering and chemical sintering, also leads to only minor improvements (Non-Patent Document 7).

可撓性太陽電池を製造する技術の状態の不都合は以下のようにまとめることができる:   The disadvantages of the state of the art of manufacturing flexible solar cells can be summarized as follows:

高温の焼結が半導体粒子の間の良好な電気的接触を供するために用いられる。しかし、ナノ粒子間の良好な電気的接触のために必要な温度は、可撓性、即ち例えばポリマー製で、プラスチック太陽電池の要素がその上層に形成される、ほとんどの基板に許容できる温度よりはるかに高い。従って、材料本来の限界に起因して、工程のパラメータは妥協される必要があり、それは始めから効果的にこのように製造される太陽電池の性能を限定する。   High temperature sintering is used to provide good electrical contact between the semiconductor particles. However, the temperature required for good electrical contact between the nanoparticles is more flexible than that which is acceptable for most substrates, e.g. made of polymer and on which plastic solar cell elements are formed. Much higher. Thus, due to the inherent limitations of the material, process parameters need to be compromised, which effectively limits the performance of solar cells thus manufactured effectively from the beginning.

一方で、焼結のために低温が用いられる(200℃あたり)と、あるいは高圧の印加により焼結が追加でまたは代わりに発生すると、初期の材料に有機の結合材を用いることができない。通常、これらの有機結合材は半導体粒子を含む層の空隙率を制御するために用いられる。続いて、高温の方法において、有機の結合材はただ燃えてなくなり、あとに中空の空間を残す。しかし、低温の焼結工程において、これらの結合材はただ燃えてなくならないので、それらを用いることはできない。従って、空隙率と、それに付随して、空隙を通したイオンの輸送は効果的に減少する。さらに、粒子間の電気的接触は、熱く焼結された層に匹敵する品質に達しない。低温焼結と圧力印加の組み合わせはある程度電気的接触を改善するが、低い空隙率の問題は解決されないままである。   On the other hand, if a low temperature is used for sintering (around 200 ° C.), or if sintering occurs additionally or instead due to the application of high pressure, an organic binder cannot be used for the initial material. Usually, these organic binders are used to control the porosity of the layer containing semiconductor particles. Subsequently, in a high temperature method, the organic binder simply does not burn, leaving behind a hollow space. However, in a low temperature sintering process, these binders cannot be used because they only have to burn. Thus, porosity and concomitantly the transport of ions through the void is effectively reduced. Furthermore, the electrical contact between the particles does not reach a quality comparable to a hot sintered layer. Although the combination of low temperature sintering and pressure application improves electrical contact to some extent, the problem of low porosity remains unresolved.

化学的な焼結において、酸化物層に生じる、低温で活性化されたあるいはされていない化学反応は、多孔質層中のナノ粒子を被覆するために用いられる。それらは導電性の外側の層を形成し、それは多孔質膜の電気伝導性を改善する。しかし、これらの膜は高い欠陥濃度を有すると予期されている。さらに、輸送が薄い外側の膜のみで起こるか明らかでない。両方の場合で、これはより高い光強度でより低い性能へと導き、これは非特許文献7(上記参照)に報告されている。これは、これらのセルの適用可能性を強く制限する。
WO91/16719号パンフレット H. Lindstroem, et al, ナノ構造薄膜電極の製造方法,WO00/72373号パンフレット B. O-Regan, and M. Graetzel, Nature 353(1991, 737) H. Lindstroem, et al, プラスチック基板上のナノ構造電極の新しい製造方法, Nano Lett, 1, 97(2001) H. Lindstroem, et al, 色素増感されたナノ結晶太陽電池の室温での新しい形成方法, J. Photochem. Photobiol. A 145, 107(2001) G. Boschloo, et al, 圧縮方法で形成された色素増感された太陽電池セルの最適化, J. Photochem. Photobiol. A 148, 11(2002) D. Zhang, et al, 固気界面における水熱結晶化による効率的な多孔質チタニア光電極の低温製造, Adv. Master. 15, 814(2003) D. Zhang, et al, 水熱結晶化による色素増感太陽電池のための多孔質ナノ結晶TiO2薄膜の低温合成, Chem. Lett. 9, 874(2002) S. A. Hague, at al, 可撓性色素増感ナノ結晶太陽電池, Chem. Comm. 24, 3008(2003)
In chemical sintering, the chemical reaction activated or not at low temperature that occurs in the oxide layer is used to coat the nanoparticles in the porous layer. They form a conductive outer layer, which improves the electrical conductivity of the porous membrane. However, these films are expected to have a high defect concentration. Furthermore, it is not clear if transport occurs only with a thin outer membrane. In both cases, this leads to lower performance at higher light intensity, which is reported in Non-Patent Document 7 (see above). This strongly limits the applicability of these cells.
WO91 / 16719 pamphlet H. Lindstroem, et al, Method for producing nanostructured thin film electrodes, WO 00/72373 pamphlet B. O-Regan, and M. Graetzel, Nature 353 (1991, 737) H. Lindstroem, et al, New manufacturing method for nanostructured electrodes on plastic substrates, Nano Lett, 1, 97 (2001) H. Lindstroem, et al, A new method for forming dye-sensitized nanocrystalline solar cells at room temperature, J. Photochem. Photobiol. A 145, 107 (2001) G. Boschloo, et al, Optimization of dye-sensitized solar cells formed by compression method, J. Photochem. Photobiol. A 148, 11 (2002) D. Zhang, et al, Efficient Porous Titania Photoelectrode Production by Hydrothermal Crystallization at the Solid-Air Interface, Adv. Master. 15, 814 (2003) D. Zhang, et al, Low temperature synthesis of porous nanocrystalline TiO2 thin films for dye-sensitized solar cells by hydrothermal crystallization, Chem. Lett. 9, 874 (2002) SA Hague, at al, Flexible dye-sensitized nanocrystal solar cell, Chem. Comm. 24, 3008 (2003)

従って、そのように高温焼結工程に耐えられない可撓性基板と組み合わせて、高温焼結工程の利益を利用することを可能にする製造方法を提供することが本発明の目的であった。さらに、安価な方法で製造可能なプラスチック太陽電池を提供することが本発明の目的であった。さらに、文献に報告されたものに匹敵する効率を有するプラスチック太陽電池を提供することが本発明の目的であった。   Accordingly, it was an object of the present invention to provide a manufacturing method that makes it possible to utilize the benefits of a high temperature sintering process in combination with a flexible substrate that cannot withstand such a high temperature sintering process. Furthermore, it was an object of the present invention to provide a plastic solar cell that can be manufactured by an inexpensive method. Furthermore, it was an object of the present invention to provide a plastic solar cell with an efficiency comparable to that reported in the literature.

すべてのこれらの目的は、
a)第1基板上に、接着層に付けられた多孔質半導体層と前記第1基板の間の電気的かつ機械的な接触を供することができる接着層を形成する工程と、
b)第2基板上に多孔質半導体層を形成する工程と、
c)前記多孔質半導体層を前記接着層上に転写する工程と、
工程b)またはc)の後で、任意に、nは2〜100の整数、好ましくは2〜20、さらに好ましくは2〜10であって、第3、第4、第5、・・・第n、第n+1基板上に、第2、第3、第4、・・・第n多孔質半導体膜を形成する工程と、前記第2、第3、第4、第5、・・・第n多孔質半導体膜を前記第1、第2、第3、第4、・・・第n−1多孔質半導体膜上にそれぞれ転写する工程と、さらに任意に、ひとつ、いくつか、または、第2、第3、第4、第5、・・・第n多孔質半導体層のそれぞれの上に、上層に次の半導体層がそれぞれ転写される、さらなる接着層を形成する工程と
を有する、基板上に多孔質半導体膜を製造する方法により解決される。
All these purposes
a) forming on the first substrate an adhesive layer capable of providing electrical and mechanical contact between the porous semiconductor layer attached to the adhesive layer and the first substrate;
b) forming a porous semiconductor layer on the second substrate;
c) transferring the porous semiconductor layer onto the adhesive layer;
Optionally, after step b) or c), n is an integer from 2 to 100, preferably 2 to 20, more preferably 2 to 10, and the third, fourth, fifth,. forming a second, third, fourth,..., n-th porous semiconductor film on the n, n + 1th substrate, and the second, third, fourth, fifth,. A step of transferring the porous semiconductor film onto each of the first, second, third, fourth,..., N-1th porous semiconductor films, and optionally, one, several, or second. , 3rd, 4th, 5th, ... on the substrate, having a step of forming a further adhesive layer on each of the nth porous semiconductor layers, onto which the next semiconductor layer is transferred. It is solved by a method for producing a porous semiconductor film.

例として、第2多孔質半導体層が第3基板上に形成されると、それは、それ自身が前記接着層上に転写された前記第1多孔質半導体層の上に転写される。さらに、前記第1及び第2多孔質半導体層の間にさらなる接着層が存在してもよい。好ましい実施形態においては、基板上の多孔質半導体膜は、互いの上層に積層され、前述の工程a)からc)と、場合によるとサブ工程(substep)であるba)、bb)、bc)、ca)、cb)及びcc)(これらのサブ工程に関して下記参照)によって形成された接着層と多孔質半導体層の交互のシークエンス(sequence)を有する。   As an example, when a second porous semiconductor layer is formed on a third substrate, it is transferred onto the first porous semiconductor layer which is itself transferred onto the adhesive layer. Furthermore, an additional adhesive layer may be present between the first and second porous semiconductor layers. In a preferred embodiment, the porous semiconductor films on the substrate are stacked on top of each other and are described above in steps a) to c) and possibly substeps ba), bb), bc). , Ca), cb) and cc) (see below for these sub-steps) with an alternating sequence of adhesion and porous semiconductor layers.

ある実施形態において、前記接着層は透明、半透明、または不透明である。好ましくはそれは透明である。もう一つの実施形態において、それは不透明であり、従ってより光散乱性である。   In one embodiment, the adhesive layer is transparent, translucent, or opaque. Preferably it is transparent. In another embodiment it is opaque and thus more light scattering.

ある実施形態において、前記多孔質半導体層は透明、半透明、または不透明である。   In one embodiment, the porous semiconductor layer is transparent, translucent, or opaque.

ある実施形態において、前記第2、第3、第4などの半導体層は透明、半透明、または不透明である。ある実施形態において、後の半導体層はだんだん不透明となり、従ってより大きな散乱を引き起こす。ある実施形態において、個々の多孔質半導体層の不透明度が、それぞれ個々の層の厚さにわたってずっと変化し、好ましくは増加する。これは、ただ1層の多孔質半導体層を有する膜またはいくつかの多孔質半導体層を有する膜に通用しうる。   In one embodiment, the second, third, fourth, etc. semiconductor layers are transparent, translucent, or opaque. In certain embodiments, subsequent semiconductor layers become increasingly opaque, thus causing greater scattering. In certain embodiments, the opacity of individual porous semiconductor layers varies and preferably increases over the thickness of each individual layer. This can be applied to a film having only one porous semiconductor layer or a film having several porous semiconductor layers.

ある実施形態において、工程c)は、
ca)前記多孔質半導体層を前記第2基板から分離する工程と、
cb)任意に、好ましくは色素増感太陽電池(solar cell)に有効な色素を用いて、前記多孔質半導体層を着色する工程と、
cc)前記第2基板なしで前記多孔質半導体層を前記接着層上に転写する工程と
を有する。
In certain embodiments, step c) comprises
ca) separating the porous semiconductor layer from the second substrate;
cb) optionally coloring the porous semiconductor layer, preferably using a dye effective for a dye-sensitized solar cell;
cc) transferring the porous semiconductor layer onto the adhesive layer without the second substrate.

好ましくは、工程b)が、
ba)印刷法、特にスクリーン印刷法、ドクターブレード法、ドロップキャスト法、スピンコート法、インクジェット法、及びスプレー法から選択された方法により、前記第2基板上に前記多孔質半導体層を形成する工程と、
bb)前記多孔質半導体層を焼結する(sintering)工程と、及び、任意に、
bc)好ましくは色素増感太陽電池に有効な色素を用いて、前記多孔質半導体層を着色する工程と
を有する。
Preferably, step b)
ba) A step of forming the porous semiconductor layer on the second substrate by a printing method, particularly a screen printing method, a doctor blade method, a drop cast method, a spin coating method, an ink jet method, and a spray method. When,
bb) sintering the porous semiconductor layer, and optionally,
bc) Preferably, the step of coloring the porous semiconductor layer using a dye effective for the dye-sensitized solar cell.

ある実施形態において、工程a)において、前記接着層は、印刷法、特にスクリーン印刷法、及び/または、インクジェット法、ドクターブレード法、ドロップキャスト法、スピンコート法、スパッタリング法、ゾルゲル法、及びスプレー法から選択された方法により、前記第1基板上に前記接着層を形成する。   In one embodiment, in step a), the adhesive layer is formed by a printing method, in particular a screen printing method, and / or an ink jet method, a doctor blade method, a drop cast method, a spin coating method, a sputtering method, a sol-gel method, and a spray. The adhesive layer is formed on the first substrate by a method selected from methods.

さらなる実施形態において、前記接着層は、前記第1基板と後に適用される電解液の間の両者の直接の接触を予防するためのブロック層である機能も有する。そのような機能を発揮するため、前記接着層は2層のサブ層(sublayer)からなってよく、サブ層のうちの1層、好ましくは下側のサブ層はブロック層であり、他方のサブ層は接着層である。下側の部分(ブロック層)は、特に、プラスチック基板に好ましく適合するスパッタリング法あるいはゾルゲル法によって形成されてよい。   In a further embodiment, the adhesive layer also has a function of being a block layer for preventing direct contact between the first substrate and an electrolyte applied later. In order to perform such a function, the adhesive layer may be composed of two sublayers, and one of the sublayers, preferably the lower sublayer is a block layer, and the other sublayer. The layer is an adhesive layer. The lower part (blocking layer) may be formed by a sputtering method or a sol-gel method particularly suitable for a plastic substrate.

好ましくは、工程ca)は、前記多孔質半導体層を前記第2基板からリフトオフ(lifting−off)する工程を有し、好ましくは、リフトオフは、前記第2基板またはその一部の前記多孔質半導体層からの除去(removal)によりなされ、さらに好ましくは、前記除去は、物理的方法、例えばピーリング、及び/または、化学的方法、例えばエッチング、及び/または酸化によってなされる。   Preferably, step ca) comprises the step of lifting-off the porous semiconductor layer from the second substrate, preferably the lift-off is the porous semiconductor of the second substrate or a part thereof. It is done by removal from the layer, more preferably the removal is done by physical methods such as peeling and / or chemical methods such as etching and / or oxidation.

ある実施形態において、前記多孔質半導体層は濡れたまたは乾燥した状態である間に、工程c)の前記転写がなされ、好ましくは、前記転写はロールトゥーロール(roll−to−roll)技術によって達成される。   In certain embodiments, the transfer of step c) is made while the porous semiconductor layer is wet or dry, preferably the transfer is achieved by a roll-to-roll technique. Is done.

ある実施形態において、本発明に係る方法は、追加で、
d)前記第1基板、前記接着層、及び前記多孔質半導体層を、その順で互いの上層に有する複合体を焼結及び/または加圧する工程
を有する。
In certain embodiments, the method according to the invention additionally comprises:
d) sintering and / or pressing a composite having the first substrate, the adhesive layer, and the porous semiconductor layer as an upper layer in that order.

ある実施形態において、工程bb)の前記焼結は、300℃〜500℃、好ましくは350℃より高く、より好ましくは380℃より高く、最も好ましくは400度より高い範囲の温度でなされる。   In certain embodiments, the sintering of step bb) is done at a temperature in the range of 300 ° C. to 500 ° C., preferably higher than 350 ° C., more preferably higher than 380 ° C., and most preferably higher than 400 degrees.

ある実施形態において、工程d)の前記焼結は、50℃から200℃以下の温度範囲で行う、及び/または前記加圧は、0〜12×10N/cmの範囲の圧力で行う。 In certain embodiments, the sintering of step d) is performed at a temperature range of 50 ° C. to 200 ° C. and / or the pressing is performed at a pressure in the range of 0-12 × 10 4 N / cm 2. .

好ましくは、前記接着層は、半導体粒子、好ましくは酸化物粒子、より好ましくはTiO粒子、特にアナターゼ(anatase)−TiO粒子の層である。 Preferably, the adhesive layer, semiconductor particles, a layer of preferably oxide particles, more preferably TiO 2 particles, in particular anatase (anatase) -TiO 2 particles.

本発明において実行するのに、多くの種類の半導体粒子が使用可能であることが、当業者にとって明らかである。これらの例は、これらに限定されないが:TiO、SnO、ZnO、Nb、ZrO、CeO、WO、SiO、Al、CuAlO、SrTiO、及びSrCuO、あるいは、これらの酸化物のいくつかを含有する複合酸化物である。 It will be apparent to those skilled in the art that many types of semiconductor particles can be used to implement in the present invention. Examples of these include, but are not limited to: TiO 2 , SnO 2 , ZnO, Nb 2 O 5 , ZrO 2 , CeO 2 , WO 3 , SiO 2 , Al 2 O 3 , CuAlO 2 , SrTiO 3 , and SrCuO 2. Alternatively, it is a composite oxide containing some of these oxides.

ある実施形態において、前記多孔質半導体層は、半導体粒子、好ましくは酸化物粒子、より好ましくはTiO粒子、特にアナターゼ−TiO粒子の層であり、ここで好ましくは、前記多孔質半導体層は、約10nm〜1000nm、好ましくは10nm〜500nmの範囲の大きさを有する半導体粒子を有する。 In one embodiment, the porous semiconductor layer is a layer of semiconductor particles, preferably oxide particles, more preferably TiO 2 particles, in particular anatase-TiO 2 particles, wherein preferably the porous semiconductor layer is , Having semiconductor particles having a size in the range of about 10 nm to 1000 nm, preferably 10 nm to 500 nm.

ある実施形態において、前記多孔質半導体層は、窒素吸着技術で測定される30%〜80%の範囲の空隙率を有する。この背景において、また、ここで用いられるように、X%の空隙率を有する膜とは、膜により占有される総体積のX%が空隙であることを示す。   In one embodiment, the porous semiconductor layer has a porosity ranging from 30% to 80% as measured by a nitrogen adsorption technique. In this background, and as used herein, a film having a porosity of X% indicates that X% of the total volume occupied by the film is void.

ある実施形態において、前記多孔質半導体層は第1サブ層と前記第1サブ層に隣接する第2サブ層を有する複合層であり、前記第1サブ層は球形のナノ粒子を有し、前記第2サブ層は延伸した棒状のナノ粒子を有する。好ましくは、前記ナノ粒子は半導体粒子である。好ましくは、前記球形のナノ粒子は約10nm〜約500nm、より好ましくは約10〜約250nmの範囲の大きさを有する。また、好ましくは、前記延伸した棒状の粒子は最も長い局面に沿って10nm〜500nm、好ましくは50nmを超えて200nmまでの平均の長さを有する。ある実施形態において、延伸した棒状の粒子の最長軸と最短軸の比は2以上である。好ましい実施形態において、最長軸と最短軸の比は2と10の間である。   In one embodiment, the porous semiconductor layer is a composite layer having a first sublayer and a second sublayer adjacent to the first sublayer, and the first sublayer includes spherical nanoparticles, The second sublayer has elongated rod-like nanoparticles. Preferably, the nanoparticles are semiconductor particles. Preferably, the spherical nanoparticles have a size ranging from about 10 nm to about 500 nm, more preferably from about 10 to about 250 nm. Preferably, the elongated rod-like particles have an average length of 10 nm to 500 nm, preferably more than 50 nm to 200 nm along the longest aspect. In one embodiment, the ratio of the longest axis to the shortest axis of the elongated rod-like particles is 2 or more. In a preferred embodiment, the ratio of longest axis to shortest axis is between 2 and 10.

他の実施形態において、前記棒状のナノ粒子は最長軸と最短軸の比が20と1000の間であるファイバである。   In another embodiment, the rod-shaped nanoparticle is a fiber having a ratio of the longest axis to the shortest axis between 20 and 1000.

ある実施形態において、第1層の棒状の粒子の含有量が第2層の棒状の粒子の含有量より小さく、第2層の球形のナノ粒子の含有量が第1層の球形の粒子の含有量より小さいけれども、球形のナノ粒子の前記第1サブ層は棒状のナノ粒子も含み、棒状のナノ粒子の前記第2サブ層は球形のナノ粒子も含む。本願において、サブ層が「球形のナノ粒子を含むサブ層」または「延伸した棒状の粒子を含むサブ層」と呼ばれるときはいつでも、これらの用語は、「他の」種類のナノ粒子をも含有するそれぞれのサブ層である前述の可能性があることも含む。   In some embodiments, the content of rod-like particles in the first layer is less than the content of rod-like particles in the second layer, and the content of spherical nanoparticles in the second layer is contained in the spherical particles of the first layer. Although less than the amount, the first sub-layer of spherical nanoparticles also includes rod-shaped nanoparticles, and the second sub-layer of rod-shaped nanoparticles also includes spherical nanoparticles. In this application, whenever a sub-layer is referred to as a “sub-layer containing spherical nanoparticles” or “a sub-layer containing stretched rod-like particles”, these terms also contain “other” types of nanoparticles. Including the aforementioned possibilities of each sub-layer.

ある実施形態において、球形のナノ粒子の前記第1サブ層は、排他的に球形のナノ粒子を含有し、延伸した棒状のナノ粒子の前記第2サブ層は、排他的に延伸した棒状のナノ粒子を含有する。   In certain embodiments, the first sub-layer of spherical nanoparticles contains exclusively spherical nanoparticles, and the second sub-layer of elongated rod-shaped nanoparticles is exclusively elongated rod-shaped nanoparticles. Contains particles.

ある実施形態において、棒状ナノ粒子が層の底部から層の頂部へと徐々に増加する含有量で、またはその逆で、前記多孔質半導体層は球形及び延伸した棒状のナノ粒子の混合物からなる。   In one embodiment, the porous semiconductor layer consists of a mixture of spherical and elongated rod-shaped nanoparticles, with the content of rod-shaped nanoparticles gradually increasing from the bottom of the layer to the top of the layer, or vice versa.

ある実施形態において、棒状のナノ粒子はナノチューブである。   In certain embodiments, the rod-shaped nanoparticles are nanotubes.

ある実施形態において、基板上の前記多孔質半導体膜において、前記第1サブ層は前記接着層に面し、前記第2サブ層は前記接着層からさらに除去される。他の実施形態において、基板上の前記多孔質半導体層において、前記第2サブ層は前記接着層に面し、前記第1サブ層は前記接着層からさらに除去される。   In one embodiment, in the porous semiconductor film on the substrate, the first sub layer faces the adhesive layer, and the second sub layer is further removed from the adhesive layer. In another embodiment, in the porous semiconductor layer on the substrate, the second sublayer faces the adhesive layer, and the first sublayer is further removed from the adhesive layer.

好ましくは、前記第1及び第2サブ層はそれぞれ1μm〜20μmの範囲の厚みを有する。   Preferably, the first and second sub-layers each have a thickness in the range of 1 μm to 20 μm.

好ましくは、前記基板は、350℃以上、好ましくは400℃以上の温度に耐えうる基板であり、ここで、好ましくは、前記第2基板は、ガラスまたは金属、好ましくは鉄鋼、あるいは上層に1つあるいはいくつかの追加の層を有するガラスから形成されている。   Preferably, the substrate is a substrate capable of withstanding a temperature of 350 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher. Here, preferably, the second substrate is glass or metal, preferably steel, or one in an upper layer. Alternatively, it is formed from glass with several additional layers.

ある実施形態において、前記第2基板は、さらにスペーサ層を有し、その上層に前記多孔質半導体層が設けられ、ここで、好ましくは、前記スペーサ層は化学的及び/または物理的方法で除去されることが可能であり、それによって前記多孔質半導体層のリフトオフが可能になる。   In one embodiment, the second substrate further includes a spacer layer, and the porous semiconductor layer is provided thereon, wherein the spacer layer is preferably removed by a chemical and / or physical method. That can be lifted off of the porous semiconductor layer.

ある実施形態において、前記スペーサ層は、有機、無機、金属、好ましくは金、あるいはそれらの組み合わせであり、ここで、好ましくは、前記スペーサ層は金から形成され、その除去は、例えば、酸化剤、例えば強酸、あるいは、酸化還元対(redox couple)、例えばヨウ素/ヨウ化物の処理による酸化によって行われる。   In one embodiment, the spacer layer is organic, inorganic, metal, preferably gold, or a combination thereof, wherein preferably the spacer layer is formed from gold and its removal can be, for example, an oxidizing agent. For example by oxidation by treatment of strong acids or redox couples, such as iodine / iodide.

好ましくは、前記多孔質半導体層は約1μm〜約50μmの範囲の厚みを有する。   Preferably, the porous semiconductor layer has a thickness in the range of about 1 μm to about 50 μm.

ある実施形態において、前記接着層は、約10nm〜約100nm、好ましくは10nm〜50nm、より好ましくは10nm〜20nmの範囲の大きさを有する半導体粒子の層である。   In one embodiment, the adhesive layer is a layer of semiconductor particles having a size in the range of about 10 nm to about 100 nm, preferably 10 nm to 50 nm, more preferably 10 nm to 20 nm.

好ましくは、前記接着層は、10nm〜1μmの範囲の厚みを有し、好ましくは500nm未満の厚み、より好ましくは100nm以下である。   Preferably, the adhesive layer has a thickness in the range of 10 nm to 1 μm, preferably less than 500 nm, more preferably 100 nm or less.

ある実施形態において、前記第1基板は可撓性の材料から形成され、それは、好ましくは、250℃を超える温度での焼結工程に耐えられない。   In an embodiment, the first substrate is formed from a flexible material, which preferably cannot withstand a sintering process at a temperature above 250 ° C.

本発明の目的は、本発明に係る方法で製造された多孔質半導体膜によっても解決される。   The object of the present invention is also solved by a porous semiconductor film produced by the method according to the present invention.

目的は、基板上に、
−互いの上層に交互に位置する一連の接着層と多孔質半導体層であって、前記層は上記のように定義され、好ましくは前記多孔質半導体層は着色され(dyed)、あるいは1つまたはいくつかの色素で色素増感され(dye sensitized)、続く多孔質半導体層は、それぞれの色素の存在に起因して、より基板に近い前の多孔質半導体層より長波長側にシフトした吸収の質量中心(center of mass)を有する、接着層と多孔質半導体層、
を有する、好ましくは本発明に係る方法で製造された、多孔質半導体膜によってさらに解決される。
ここで用いられている「着色された(dyed)」及び「色素増感された(dye sensitized)」という用語は、交換可能に用いられる。
The purpose is on the substrate,
A series of adhesive layers and porous semiconductor layers that are alternately positioned on top of each other, wherein the layers are defined as above, preferably the porous semiconductor layer is dyed, or one or Due to the presence of the respective dyes, the subsequent porous semiconductor layer is dye-sensitized with several dyes, and the absorption of the absorption shifted to the longer wavelength side from the previous porous semiconductor layer closer to the substrate. An adhesion layer and a porous semiconductor layer having a center of mass;
This is further solved by a porous semiconductor film, preferably produced by the method according to the invention.
As used herein, the terms “dyed” and “dye sensitized” are used interchangeably.

ある実施形態において、多孔質層は対応する接着層上への転写の前に着色される。着色された多孔質層の吸収範囲は変化しうる。好ましくは、第1多孔質層はより短波長側の領域で吸収し、続く層の吸収の質量中心は長波長側に続いてシフトする。   In certain embodiments, the porous layer is colored prior to transfer onto the corresponding adhesive layer. The absorption range of the colored porous layer can vary. Preferably, the first porous layer absorbs in the region on the shorter wavelength side, and the center of mass of absorption in the subsequent layer is subsequently shifted to the longer wavelength side.

それらは、
−好ましくは可撓性基板であり、より好ましくは250℃を超える焼結温度に耐えられない、第1基板と、
−接着層に付着した多孔質半導体層と前記第1基板の間の電気的及び機械的接触を提供できる前記接着層であって、好ましくは10nm〜100nm、より好ましくは10nm〜50nm、最も好ましくは10nm〜20nmの範囲であり、空隙率が30%〜80%であり、平均の孔の大きさが1μm〜約100μmの範囲である、半導体粒子の層である、接着層と、
−約10nm〜約1000nmの大きさであり、約3nm〜約500nmの範囲の孔の大きさを有する半導体粒子を有する多孔質半導体層であって、約1μm〜約50μmの範囲の厚みを有し、窒素吸着技術で測定される30%〜80%の範囲の空隙率を有する、多孔質半導体層と
をその順で有する、好ましくは本発明に係る方法で製造された、多孔質半導体膜によってさらに解決される。
They are,
A first substrate, preferably a flexible substrate, more preferably not capable of withstanding sintering temperatures above 250 ° C;
The adhesive layer capable of providing electrical and mechanical contact between the porous semiconductor layer attached to the adhesive layer and the first substrate, preferably 10 nm to 100 nm, more preferably 10 nm to 50 nm, most preferably An adhesion layer, which is a layer of semiconductor particles, in the range of 10 nm to 20 nm, the porosity is 30% to 80%, and the average pore size is in the range of 1 μm to about 100 μm;
A porous semiconductor layer having semiconductor particles having a pore size ranging from about 10 nm to about 1000 nm and having a pore size ranging from about 3 nm to about 500 nm, and having a thickness ranging from about 1 μm to about 50 μm A porous semiconductor layer, in that order, having a porosity in the range of 30% to 80% as measured by a nitrogen adsorption technique, preferably manufactured by a method according to the present invention. Solved.

本発明の目的は、本発明に係る多孔質半導体膜を有する電子デバイスによっても解決され、ここで、好ましくは、前記電子デバイスは太陽電池であり、より好ましくは、前記太陽電池は5%を超える電力変換効率を有する。好ましい実施形態において、前記太陽電池は、6×10N/cmまで、好ましくは10×10N/cmまでの圧力が前記多孔質半導体膜に印加された後で、75%以上、好ましくは80%以上の、加圧されていない膜に対して定められる、相対的空隙率を有する。他の実施形態において、前記電子デバイスはセンサデバイスである。 The object of the present invention is also solved by an electronic device having a porous semiconductor film according to the present invention, wherein preferably the electronic device is a solar cell, more preferably the solar cell is greater than 5%. Has power conversion efficiency. In a preferred embodiment, the solar cell is 75% or more after a pressure of up to 6 × 10 4 N / cm 2 , preferably up to 10 × 10 4 N / cm 2 is applied to the porous semiconductor film, Preferably, it has a relative porosity defined for an unpressurized membrane of 80% or more. In another embodiment, the electronic device is a sensor device.

本発明の目的は、電子デバイス、特に太陽電池の製造のための本発明に係る方法の使用によってさらに解決される。   The object of the invention is further solved by the use of the method according to the invention for the manufacture of electronic devices, in particular solar cells.

それらは、電子デバイス、好ましくは太陽電池における、本発明に係る多孔質半導体膜の使用によっても解決される。   They are also solved by the use of the porous semiconductor film according to the invention in electronic devices, preferably solar cells.

本発明の目的は、球形のナノ粒子を有する第1サブ層と前記第1サブ層に隣接した延伸した棒状のナノ粒子を有する第2サブ層を有する多孔質半導体層によっても解決される。好ましくは、前記ナノ粒子は半導体粒子である。球形のナノ粒子を有する第1サブ層と前記第1サブ層に隣接した延伸した棒状のナノ粒子を有する第2サブ層を有するそのような半導体層は、ここで時々「複合層(composite layer)」とも呼ばれる。   The object of the present invention is also solved by a porous semiconductor layer having a first sub-layer having spherical nanoparticles and a second sub-layer having elongated rod-shaped nanoparticles adjacent to said first sub-layer. Preferably, the nanoparticles are semiconductor particles. Such a semiconductor layer having a first sub-layer with spherical nanoparticles and a second sub-layer with elongated rod-shaped nanoparticles adjacent to said first sub-layer is sometimes referred to herein as a “composite layer”. Is also called.

好ましくは、球形及び棒状のナノ粒子のそのような複合層は、2つの異なるサブ層間で熱膨張係数に相違を呈する。   Preferably, such composite layers of spherical and rod-like nanoparticles exhibit a difference in coefficient of thermal expansion between two different sub-layers.

そのような複合層は、ここで時々「球−棒(sphere−rod)複合層」または「SRCL」とも呼ばれる。ここで用いられるように、「球−棒複合層」という用語は、球形のナノ粒子のサブ層とそれに隣接した延伸した棒状のナノ粒子の他のサブ層を有する、どのような層も示すことが意図されている。当業者にとって、「球形」及び「延伸した棒状」という用語は単なる近似の用語に過ぎず、それらの外見はこれらの用語でやはり適切に表されるけれども、厳密な幾何学的な意味において、完全には球形でない、あるいは完全には棒状でない粒子も表すために用いられうる、ということは明らかである。   Such composite layers are sometimes also referred to herein as “sphere-rod composite layers” or “SRCL”. As used herein, the term “sphere-bar composite layer” refers to any layer having a sub-layer of spherical nanoparticles and another sub-layer of elongated rod-shaped nanoparticles adjacent to it. Is intended. For those skilled in the art, the terms “spherical” and “stretched rod” are merely approximate terms, and their appearance is still adequately represented by these terms, but in a strict geometric sense, It is clear that can also be used to represent particles that are not spherical or not completely rod-shaped.

「隣接する(adjacent to)」という用語は、互いに隣にある2つの存在物の空間的な配置を示すことが意図されている。ある実施形態において、隣接する2つのサブ層が互いに直接接している。他の実施形態において、互いに隣接する2つのサブ層は、中間のスペーサ層で分離されており、その寸法は各サブ層の厚みに比べて非常に薄くてもよい。しかし、好ましい実施形態において、互いに隣接する2つのサブ層は互いと直接接している。   The term “adjacent to” is intended to indicate the spatial arrangement of two entities next to each other. In some embodiments, two adjacent sublayers are in direct contact with each other. In other embodiments, two adjacent sub-layers are separated by an intermediate spacer layer, whose dimensions may be very thin compared to the thickness of each sub-layer. However, in a preferred embodiment, two adjacent sublayers are in direct contact with each other.

ある実施形態において、前記球形のナノ粒子は約10nm〜約500nm、より好ましくは10〜約250nmの範囲の大きさを有する。また、好ましくは、前記延伸した棒状の粒子は最も長い局面に沿って10nm〜500nm、好ましくは50nmを超えて200nmまでの平均の長さを有する。好ましい実施形態において、延伸した棒状の粒子の最長軸と最短軸の比は2以上である。より好ましい実施形態において、最長軸と最短軸の比は2と10の間である。   In certain embodiments, the spherical nanoparticles have a size in the range of about 10 nm to about 500 nm, more preferably 10 to about 250 nm. Preferably, the elongated rod-like particles have an average length of 10 nm to 500 nm, preferably more than 50 nm to 200 nm along the longest aspect. In a preferred embodiment, the ratio of the longest axis to the shortest axis of the elongated rod-like particles is 2 or more. In a more preferred embodiment, the ratio of the longest axis to the shortest axis is between 2 and 10.

ある実施形態において、前記球形及び棒状粒子の複合層は、約2μm〜50μm、好ましくは約2μm〜約40μmの範囲の厚みを有する。   In one embodiment, the composite layer of spherical and rod-like particles has a thickness in the range of about 2 μm to 50 μm, preferably about 2 μm to about 40 μm.

好ましくは、前記半導体粒子は、酸化物粒子である。これらの例は、これらに限定されないが:TiO、SnO、ZnO、Nb、ZrO、CeO、WO、SiO、Al、CuAlO、SrTiO、及びSrCuOである。 Preferably, the semiconductor particles are oxide particles. Examples of these include, but are not limited to: TiO 2 , SnO 2 , ZnO, Nb 2 O 5 , ZrO 2 , CeO 2 , WO 3 , SiO 2 , Al 2 O 3 , CuAlO 2 , SrTiO 3 , and SrCuO 2. It is.

より好ましくは、前記半導体粒子はTiO粒子であり、特にアナターゼ−TiO粒子である。 More preferably, the semiconductor particles are TiO 2 particles, especially anatase-TiO 2 particles.

ある実施形態において、前記球−棒複合層は、窒素吸着技術で測定される30%〜80%の範囲の空隙率を有する。この背景において、また、ここで用いられるように、X%の空隙率を有する膜または層とは、膜または層により占有される総体積のX%が空隙であることを示す。   In certain embodiments, the ball-bar composite layer has a porosity ranging from 30% to 80% as measured by a nitrogen adsorption technique. In this context, and as used herein, a film or layer having a porosity of X% indicates that X% of the total volume occupied by the film or layer is void.

発明者らは、驚くべきことに、そのようなSRCLが、非複合層と比較して、より容易に基板からリフトオフされうることを見出した。よって、そのようなSRCLは、層、好ましくは半導体層の基板からのリフトオフが関係したいかなる方法においても、使用及び適用されうる。   The inventors have surprisingly found that such SRCL can be lifted off the substrate more easily compared to non-composite layers. Thus, such SRCL can be used and applied in any manner involving lift-off of a layer, preferably a semiconductor layer, from a substrate.

本発明者らはまた、驚くべきことに、上述の可撓性DSSCの製造における不利益が、一般に、多孔質TiO層の転写方法の適用によって克服できることを見出した。この方法は、活性多孔質層の高温焼結の利益(良好な電気的接触、良好な空隙率、良好な機械的安定性)を、そのような多孔質層を可撓性プラスチック基板上に適用し、それらを良好な電気的接触状態にする可能性と、組み合わせる。それは、転写される多孔質層のパラメータの選択、また、その層のこの電気的及び光学的な最適な特性との選択の完全な自由を確保する。その原理は、層の形成と基板への接触の分離に基づいている。それは、活性多孔質層が、それは高温に耐えられる基板(予備の基板)上に形成される、ことを意味する。この層の成功的な形成の後、それは予備の基板から除去され、(例えば、高温の焼結工程に耐えられない)他の基板へと転写される。それをこの他の基板(添付の請求項の用語によれば「第1」基板)との良好な機械的及び電気的接触状態にし、スペーサまたは接着層が可撓性基板と転写された多孔質層の間に存在し、スペーサまたは接着層は可撓性基板と転写された多孔質層の間の電気的及び機械的接触を提供できる。ここで用いられるように、「接着層」という用語は、基板(それ自身は例えばTCO層で被覆されていてもよい)と前記基板に貼られる他の層、好ましくは多孔質半導体層の間に接着を提供するどんな層も示すことが意図されており、あるいは、それは隣接する2つの層、好ましくは2つの続く多孔質半導体層の間に接着を提供する。このスペーサ層あるいは接着層がナノ多孔質半導体粒子、好ましくはTiO粒子の大変薄い層からなるとき、良好な結果が得られることが見出された。転写された多孔質層(ここではときどき「転写層」とも呼ばれる)、ナノ多孔質接着層及び基板を良好な電気的接触状態にするため、例えばたったの200℃への加熱、加圧、及び/または化学的焼結など、異なる低い温度の焼結工程が十分であり、適用されうる。接着層は、DSSCで採用される標準的な多孔質層よりもずっと薄いので、これらの方法の上述の不利益は、活性多孔質層に適用される場合よりずっと重要でない。例えば、加圧は、転写層の良好な特性に影響を及ぼさないが、接着層のナノ粒子間の電気的な接触、及び、電極、接着層及び転写層の間の接触を強める。これまでは、最良の結果は、加熱と加圧の組み合わせに対して見出された。 The inventors have also surprisingly found that the above disadvantages in the production of flexible DSSCs can generally be overcome by applying a method of transferring a porous TiO 2 layer. This method applies the benefits of high temperature sintering of an active porous layer (good electrical contact, good porosity, good mechanical stability), such a porous layer on a flexible plastic substrate Combined with the possibility of making them in good electrical contact. It ensures complete freedom in selecting the parameters of the porous layer to be transferred and also in selecting the optimal electrical and optical properties of the layer. The principle is based on the formation of layers and the separation of contact with the substrate. That means that the active porous layer is formed on a substrate that can withstand high temperatures (spare substrate). After successful formation of this layer, it is removed from the spare substrate and transferred to another substrate (eg, unable to withstand high temperature sintering processes). Porous with the spacer or adhesive layer transferred to the flexible substrate, making it in good mechanical and electrical contact with this other substrate (“first” substrate according to the terms of the appended claims) Between the layers, a spacer or adhesive layer can provide electrical and mechanical contact between the flexible substrate and the transferred porous layer. As used herein, the term “adhesion layer” is used between a substrate (which may itself be coated with a TCO layer, for example) and another layer applied to the substrate, preferably a porous semiconductor layer. Any layer that provides adhesion is intended to be shown, or it provides adhesion between two adjacent layers, preferably two subsequent porous semiconductor layers. It has been found that good results are obtained when this spacer layer or adhesion layer consists of a very thin layer of nanoporous semiconductor particles, preferably TiO 2 particles. To bring the transferred porous layer (sometimes also referred to herein as the “transfer layer”), the nanoporous adhesive layer and the substrate into good electrical contact, for example, only heating to 200 ° C., pressurization, and / or Or a different low temperature sintering process, such as chemical sintering, is sufficient and can be applied. Since the adhesive layer is much thinner than the standard porous layer employed in DSSC, the above disadvantages of these methods are much less important than when applied to the active porous layer. For example, pressurization does not affect the good properties of the transfer layer, but enhances the electrical contact between the nanoparticles of the adhesive layer and the contact between the electrode, adhesive layer and transfer layer. So far, the best results have been found for a combination of heating and pressing.

多孔質半導体層(ここでときどき「転写層」とも呼ばれる)及び/または接着層に用いられている半導体粒子が、SRCLの場合のように明確に特定されない限り、どのような形状をとてもよいことは、当業者に対して明らかである。それらは、例えば、球形、棒、チューブであってよい。それらはどんなアスペクト比をとってもよく、異なる直径及び形状が混合してもよい。同様に、混合した多層構造が適用されてよい。ある実施形態において、続く層、即ち、接着層と続く半導体層は段々散乱が大きくなってよく、即ち、直前の隣接層より透過性が小さくなってよい。この段々散乱が大きくなる効果は、異なる大きさ及び/または形状の粒子を有する続く層のそれぞれの層の異なる組成、及び、粒子の平均の大きさが層から層へと大きくなることに起因しうる。好ましくは、それぞれの層の表面粗さは、より小さい粒子の大きさ、好ましくはそれぞれの層のより小さい粒子の大きさより、実質的に大きくするべきでない。これは、滑らかな表面転移(surface transition)と2つの層の間の良好な接触を確保する。さらに、多孔質半導体層に、この層のよりよい安定性のためにファイバを添加することが可能である。多孔質半導体層の好ましい厚みは約1μm〜約50μmである。多孔質半導体層は、まず、好ましくは平坦で温度耐性がある、即ち、(例えば温度範囲が350℃〜500℃の)半導体層を焼結させるのに用いられるような高温の焼結工程に耐えうる、どのような種類の基板上に形成されてよい。代わりに、この基板は、接着層が形成された基板と単純に似ている形状あるいは同じ形状を有してもよい。好ましい基板材料はガラスまたは鉄鋼であるが、他のものも使用できる。多孔質半導体層は、印刷法、特にインクジェット印刷法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、ドロップキャスト法、スピンコート法及びスプレー法を含むがこれに限定はされないいかなる適した手段で形成されてもよい。ある好ましい多孔質半導体層の形成方法はインクジェット印刷であり、これはこの方法では塗布される層の厚みに対して、制御が正確に働かせられるからであり、望まれれば、1つの単層が1つの粒子の厚みに相当する、約1〜5の単層に対応する極めて薄い層が製造可能である。しかし、インクジェット印刷は、例えば2μm〜50μmなど、μmの範囲の厚い層の形成にも完全に適合する。他の特に好ましい多孔質半導体層の形成方法は、スクリーン印刷である。多孔質半導体層を、それが形成れた基板から接着層へ転写するある方法は、基板上にスペーサ層が存在しており、その上層に半導体層が形成されている。このスペーサ層は、多孔質半導体層が焼結された後で、多孔質半導体層の、それが形成された基板からの除去を容易にする。そのようなスペーサ層は有機または無機の材料を有してよく、それは金属、特に金を有してよい。スペーサ層は化学的、物理的、あるいは他の方法で除去されてよく、それは当業者には明白である。例えば、金は、例えば強酸などの及び/または例えばヨウ素/ヨウ化物などの酸化還元対での処理で酸化されうる。そのような除去の結果、多孔質半導体層は、それが形成された基板からリフトオフされ、接着層上に転写されうる。多孔質半導体層は、光吸収、電荷分離、及び移動の工程が主として行われる位置であることを意味する、電子デバイスの主たる「活性」層である層である。   Unless the semiconductor particles used in the porous semiconductor layer (sometimes also referred to herein as the “transfer layer”) and / or the adhesive layer are clearly specified as in SRCL, what shape is very good Will be apparent to those skilled in the art. They may be, for example, spheres, rods, tubes. They can take any aspect ratio and different diameters and shapes may be mixed. Similarly, mixed multilayer structures may be applied. In certain embodiments, the subsequent layers, ie, the adhesive layer and the subsequent semiconductor layer, may be increasingly scattered, ie, less permeable than the immediately adjacent layer. The effect of this stepwise scattering is due to the different composition of each subsequent layer having particles of different sizes and / or shapes, and the average size of the particles increasing from layer to layer. sell. Preferably, the surface roughness of each layer should not be substantially greater than the smaller particle size, preferably the smaller particle size of each layer. This ensures a smooth surface transition and good contact between the two layers. Furthermore, it is possible to add fibers to the porous semiconductor layer for better stability of this layer. The preferred thickness of the porous semiconductor layer is about 1 μm to about 50 μm. The porous semiconductor layer is preferably preferably flat and temperature resistant, that is, withstands high temperature sintering processes such as those used to sinter semiconductor layers (eg, in the temperature range of 350 ° C. to 500 ° C.). It can be formed on any kind of substrate. Alternatively, the substrate may have a shape that is simply similar or the same as the substrate on which the adhesive layer is formed. The preferred substrate material is glass or steel, although others can be used. The porous semiconductor layer may be formed by any suitable means including, but not limited to, printing methods, particularly inkjet printing methods, screen printing methods, doctor blade methods, drop cast methods, spin coating methods and spray methods. . One preferred method for forming a porous semiconductor layer is ink jet printing, because this method allows precise control over the thickness of the applied layer, and if desired, one single layer can be Very thin layers corresponding to about 1-5 monolayers corresponding to the thickness of one particle can be produced. However, ink jet printing is also perfectly compatible with the formation of thick layers in the range of μm, for example 2 μm to 50 μm. Another particularly preferred method for forming the porous semiconductor layer is screen printing. In one method of transferring a porous semiconductor layer from a substrate on which it is formed to an adhesive layer, a spacer layer is present on the substrate, and a semiconductor layer is formed thereon. The spacer layer facilitates removal of the porous semiconductor layer from the substrate on which it has been formed after the porous semiconductor layer has been sintered. Such a spacer layer may comprise an organic or inorganic material, which may comprise a metal, in particular gold. The spacer layer may be removed chemically, physically, or otherwise, as will be apparent to those skilled in the art. For example, gold can be oxidized by treatment with a redox couple such as a strong acid and / or iodine / iodide, for example. As a result of such removal, the porous semiconductor layer can be lifted off from the substrate on which it is formed and transferred onto the adhesive layer. A porous semiconductor layer is a layer that is the main “active” layer of an electronic device, meaning that the steps of light absorption, charge separation, and migration are mainly performed.

好ましい実施形態において、半導体層は、それぞれ球形及び棒状の半導体ナノ粒子の2つの異なるサブ層の複合層である。そのようなSRCL(球−棒複合層)は、基板からもっとより容易にリフトオフされることができ、それゆえに、半導体膜を基板からリフトオフすることが要求されるどんな工程も容易にする。   In a preferred embodiment, the semiconductor layer is a composite layer of two different sublayers of spherical and rod-shaped semiconductor nanoparticles, respectively. Such SRCL (ball-bar composite layer) can be lifted off from the substrate much more easily, thus facilitating any process required to lift off the semiconductor film from the substrate.

本発明者らは、図6に示すような球−棒を有する複合層(SRCL)の適用によって、上述のリフトオフ工程が明らかに容易になることを見出した。いずれかの理論によって結びつけられることを望まず、効果は次のように記載できる:   The inventors have found that the lift-off process described above is clearly facilitated by the application of a composite layer (SRCL) having a sphere-rod as shown in FIG. Without wishing to be bound by any theory, the effect can be described as follows:

最初に、発明者らは、次の、SRCL、均質の(homogeneous)多孔質層、2つのサブ層を有する多孔質層(後者は、両サブ層における同一の幾何学的形状(直径が10〜20nm)の小さな粒子、または、下のサブ層の小さな粒子と上のサブ層の同じ幾何学的形状のより大きな粒子(直径が300nm)からなる)に対して、重力を除いて機械的な力を何も加えずに、ヨウ素/ヨウ化物電解液中の予備の基板からの多孔質層の除去に必要な時間を測定した。全ての参照層の平均の時間は、少なくとも大きさで1桁、SRCLに対する平均の時間を越えた。SRCLと、ナノ球形の2つのサブ層からなる二重の層に対するデータの比較が図8に示されている。発明者らは、いずれかの理論によって結びつけられることを望まず、これらの観察に対する最も適当な説明は、高温焼結工程における層の形成中と続く冷却中での異なる膨張/収縮に起因するSRCLの内部応力が、予備の基板からのより容易な除去を引き起こす、ということであると、提案する。しかし、例示のために用いられた特定の実施形態において、球状体と棒状体の両者は、X線回折で確認されたようにアナターゼTiO単結晶であるので、効果は2つの層中の異なる結晶学的特性に純粋に起因することは不可能であり、代わりに膜のナノモホロジー(nano−morphology)と関連があるに違いない。確かに、ランダムに配置されたバルク多結晶材料、単結晶棒状体、または単結晶球状体のいずれかからなる最密(closed−packed)構造が同じ平均熱膨張係数を示すと期待されている一方で、ナノ多孔質構造は、ナノスケールの構造ブロックの形状に依存して逸脱することを許容し、それは以下のように説明される。TiOナノ棒状体はテンプレート(template)方法によって成長させられる。選択された結晶学的配向の表面上での表面活性剤の選択的な吸着に基づく。ジエチレントリアミンの場合、ここではナノ棒状体の合成のために用いられるように、吸着は[001]方向またはアナターゼ格子のc軸と平行な面において選択的に起こる(軸と方向の命名法について図7も参照のこと)。界面活性剤は、これらの面と垂直な方向に沿った結晶成長を遅らせるので、ナノ棒状体の長軸が(ある偏差内で)[001]方向に一致すると予期され、これは確かに透過型電子顕微鏡によって検証された。一方で、アナターゼTiOに対する熱膨張係数αは、a軸、即ち、[001]方向に垂直な方向に沿って負の膨張さえあり、結晶額的配向に強く依存することが知られている(α=−2.88×10−6,α=6.6424×10−6,両者とも室温で)。図7の一次元モデル(モデルがナノ粒子の鎖に沿った異なる膨張係数をただ説明するという意味での一次元)で、球形または棒状の粒子のc軸が3つの方向全てにランダムに配向し、図7に示されるナノ粒子の鎖の全長に対して、棒状体の長軸は短軸より大きく寄与するので、巨視的な熱膨張係数に相違が存在する。このモデルはナノ多孔質ネットワークの状況を単純化しすぎるが、これらの考えに基づいて、球状体または棒状体のいずれかからなる多孔質層に対して巨視的な熱膨張係数の相違が予期される。さらに、層構造は450℃での焼結サイクル中に形成されるので、αの小さな差でさえ室温で観察される内部応力を説明するのに十分である。確かに、発明者らが光学的インターフェロメトリ(interferometry)によって室温と300℃の間で多孔質層の厚みを測定したとき、標準的な層とSRCLの異なる反応を見出した。標準的な層に対して、温度が高くなるにつれて減ってくる厚みが観察された。これは、膜自身と比較してガラス基板のより強い横方向の膨張による、層の縮小に帰する。しかし、ナノ棒状体の層に対して縮小は観察されず、それは、ナノ棒状体層の膨張係数がより大きいということで解釈することができる。要するに、ナノメートルスケールのTiOの形状が、層中の粒子のナノ多孔質の配置と組み合わさって、リフトオフ工程の最適化を導く、層の機械的特性における巨視的な相違に関係している。 First, we have the following SRCL, homogeneous porous layer, porous layer with two sublayers (the latter is the same geometric shape (diameter 10 to 10) in both sublayers. Mechanical force except gravity for small particles (20 nm), or smaller particles in the lower sublayer and larger particles of the same geometry in the upper sublayer (diameter 300 nm) The time required to remove the porous layer from the spare substrate in the iodine / iodide electrolyte was measured. The average time for all reference layers was at least an order of magnitude larger than the average time for SRCL. A comparison of the data for SRCL and a double layer of two nanospherical sublayers is shown in FIG. The inventors do not wish to be bound by any theory, and the most appropriate explanation for these observations is SRCL due to different expansion / contraction during layer formation and subsequent cooling in the high temperature sintering process. It is proposed that the internal stress of this causes easier removal from the spare substrate. However, in the particular embodiment used for illustration, both spheres and rods are anatase TiO 2 single crystals as confirmed by X-ray diffraction, so the effect is different in the two layers. It cannot be purely attributed to crystallographic properties, and must instead be related to the nano-morphology of the membrane. Indeed, it is expected that a close-packed structure consisting of either randomly placed bulk polycrystalline material, single crystal rods, or single crystal spheres will exhibit the same average coefficient of thermal expansion. Thus, the nanoporous structure is allowed to deviate depending on the shape of the nanoscale structural block, which is explained as follows. TiO 2 nanorods are grown by a template method. Based on selective adsorption of surfactants on surfaces of selected crystallographic orientation. In the case of diethylenetriamine, adsorption takes place selectively in the [001] direction or in a plane parallel to the c-axis of the anatase lattice, as used here for the synthesis of nanorods (see FIG. 7 for axis and direction nomenclature). See also). Surfactants retard crystal growth along the direction perpendicular to these planes, so it is expected that the long axis of the nanorods will coincide (within some deviation) in the [001] direction, which is indeed transmissive It was verified by electron microscopy. On the other hand, it is known that the thermal expansion coefficient α for anatase TiO 2 has a negative expansion even along the a-axis, ie, the direction perpendicular to the [001] direction, and is strongly dependent on the crystalline orientation ( α a = −2.88 × 10 −6 , α c = 6.6424 × 10 −6 , both at room temperature). In the one-dimensional model of FIG. 7 (one-dimensional in the sense that the model just accounts for the different expansion coefficients along the nanoparticle chain), the c-axis of a spherical or rod-like particle is randomly oriented in all three directions. The major axis of the rod-shaped body contributes more than the minor axis to the total length of the nanoparticle chains shown in FIG. 7, so there is a difference in the macroscopic thermal expansion coefficient. Although this model oversimplifies the situation of nanoporous networks, based on these ideas, macroscopic thermal expansion coefficient differences are expected for porous layers consisting of either spheres or rods . Furthermore, since the layer structure is formed during the sintering cycle at 450 ° C., even small differences in α are sufficient to account for the internal stress observed at room temperature. Indeed, when the inventors measured the thickness of the porous layer between room temperature and 300 ° C. by optical interferometry, they found a different reaction between the standard layer and SRCL. For the standard layer, a decreasing thickness was observed with increasing temperature. This is attributed to layer shrinkage due to stronger lateral expansion of the glass substrate compared to the film itself. However, no reduction is observed for the nanorod layer, which can be interpreted as a larger expansion coefficient of the nanorod layer. In short, the nanometer-scale TiO 2 shape is associated with macroscopic differences in the mechanical properties of the layer, combined with the nanoporous arrangement of particles in the layer, leading to optimization of the lift-off process. .

接着層に関する限り、それ自身は多孔質半導体膜が用いられる電子デバイスの活性な工程に参加する必要はなく、この接着層は、薄い透過性の層へと形成され、多孔質半導体層と基板(例えば電極)の間の良好な電気的及び機械的接触を供することができるどんな材料を有してもよい。接着層の材料はナノ多孔性であってよく、これは、接着層内の平均の孔サイズが1nm〜100nmの範囲内であることを意味する。好ましい実施形態において、接着層のナノ多孔質粒子は半導体粒子、好ましくは酸化物粒子、より好ましくはTiO粒子である。これらの粒子がどのような形状をとってもよく、例えば、球形、棒状、あるいはチューブ状であってよいことが当業者には明らかである。それらの好ましい大きさは、約10nm〜約100nmの範囲であるが、好ましくは、個々の層の表面粗さが、実質的により小さな粒子の大きさ、好ましくは個々の層のより小さな粒子の大きさより大きい、ということが強調されなければならない。また、接着層と多孔質半導体層の間の界面において、滑らかな表面と2つの層の間の良好な接触を確保するため、接着層の粒子は相対的に小さい。接着層の好ましい厚みは約10nm〜約1μmであるが、厚みが500nmより小さい実施形態が好ましい。厚みが100nm以下の実施形態がさらに好ましい。接着層は、印刷法、特にインクジェット印刷法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、ドロップキャスト法、スピンコート法、及びスプレー法を含むが、これらに限定されない、どのような手段で塗布されてもよい。ある好ましい接着層の塗布方法はインクジェット印刷法であり、これはこの方法では塗布される層の厚みに対して、制御が正確に働かされるからであり、1つの単層が1つの粒子の厚みに相当する、約1〜5の単層に対応する極めて薄い層が製造可能である。原則として、接着層に対してどのような基板も可能であるが、プラスチック太陽電池の製造の目的に対しては、もちろん、相対的に可撓性の基板が好ましい。そのような可撓性基板に対して、ポリマー材料を含むがこれに限定されない、多くの材料を用いることができるということが当業者には明らかである。また、基板は平坦あるいはいかなる他の形状をとることもできる。好ましい実施形態において、基板が可撓性ポリマー基板であるとき、それは、ある限界、例えば200℃までの温度しか耐えることができない。 As far as the adhesive layer is concerned, it is not necessary for itself to participate in the active process of an electronic device in which a porous semiconductor film is used, and this adhesive layer is formed into a thin permeable layer, which is a Any material that can provide good electrical and mechanical contact between, eg, the electrodes) may be included. The material of the adhesive layer may be nanoporous, which means that the average pore size in the adhesive layer is in the range of 1 nm to 100 nm. In a preferred embodiment, the nanoporous particles of the adhesive layer are semiconductor particles, preferably oxide particles, more preferably TiO 2 particles. It will be apparent to those skilled in the art that these particles may take any shape, for example, spherical, rod-shaped, or tube-shaped. Their preferred sizes range from about 10 nm to about 100 nm, but preferably the surface roughness of the individual layers is substantially smaller particle sizes, preferably smaller particle sizes of the individual layers. It must be emphasized that it is bigger than that. Also, at the interface between the adhesive layer and the porous semiconductor layer, the particles of the adhesive layer are relatively small to ensure good contact between the smooth surface and the two layers. The preferred thickness of the adhesive layer is from about 10 nm to about 1 μm, but embodiments with a thickness less than 500 nm are preferred. An embodiment having a thickness of 100 nm or less is more preferable. The adhesive layer may be applied by any means including, but not limited to, printing methods, particularly inkjet printing methods, screen printing methods, doctor blade methods, drop cast methods, spin coating methods, and spraying methods. . One preferred method of applying the adhesive layer is an ink jet printing method, because this method provides precise control over the thickness of the applied layer, so that one single layer can be reduced to one particle thickness. Corresponding very thin layers corresponding to about 1 to 5 monolayers can be produced. In principle, any substrate for the adhesive layer is possible, but for the purposes of manufacturing plastic solar cells, of course, relatively flexible substrates are preferred. It will be apparent to those skilled in the art that many materials can be used for such flexible substrates, including but not limited to polymeric materials. Also, the substrate can be flat or take any other shape. In a preferred embodiment, when the substrate is a flexible polymer substrate, it can only withstand some limits, for example up to 200 ° C.

多孔質半導体層の、それが形成された第1基板から、電子デバイス中でも使用される1つとなる第2基板への転写は、その目的のためのどんな技術も適用可能である。そのような技術は当業者に知られており、ロールトゥーロール技術を含むが、これに限定されない。転写の間、多孔質半導体層は濡れた状態でも乾燥した状態でもよい。多孔質半導体層が接着層へ転写された後、低温の焼結及び/または圧力印加が続いてもよい。低温焼結に対する好ましい温度の値は200℃以下である。好ましい圧力は2×10N/cm〜12×10N/cmの範囲である。本発明は1層の接着層及び1層の多孔質半導体層に限定されないことは当業者には明らかである。本発明者らは、1層以上の半導体層及び/または1層以上の接着層の他の複合物もまた予想する。 For transferring the porous semiconductor layer from the first substrate on which the porous semiconductor layer is formed to the second substrate to be used in the electronic device, any technique for the purpose can be applied. Such techniques are known to those skilled in the art and include, but are not limited to, roll-to-roll techniques. During the transfer, the porous semiconductor layer may be wet or dry. After the porous semiconductor layer is transferred to the adhesive layer, low temperature sintering and / or pressure application may follow. A preferred temperature value for low temperature sintering is 200 ° C. or less. A preferred pressure is in the range of 2 × 10 4 N / cm 2 to 12 × 10 4 N / cm 2 . It will be apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited to one adhesive layer and one porous semiconductor layer. We also envision other composites of one or more semiconductor layers and / or one or more adhesive layers.

一度、少なくとも、基板、透明接着層及び多孔質半導体層を有する複合体が製造されたら、これは、例えば太陽電池の製造に用いられうる。太陽電池とそれらの他の要素は当業者に知られており、即ち、それは電解液を含み、多孔質半導体層はそれを色素増感するために色素で処理される。電極材料としては、高温の焼結工程にさらされる必要なないので、温度耐性のないそれらの材料が用いられうる。そのような電極を形成するための材料は当業者に知られており、金属、有機材料、高くドープされたポリ(3,4−エチレンジオキシドチオフェン)(PEDOTあるいはPEDT)及び誘導体、及びTCO層(透明導電性酸化物)を含むが限定はされない。同じものが対極に適用され、それは有機材料、TCO材料、及び/または金属、例えば白金であってよい。例となるTCO材料は、これらに限定されないが、FTO、ITO、ZnO、SnO及びその組み合わせである。 Once a composite having at least a substrate, a transparent adhesive layer and a porous semiconductor layer is produced, it can be used, for example, in the production of solar cells. Solar cells and their other elements are known to those skilled in the art, i.e. it comprises an electrolyte and the porous semiconductor layer is treated with a dye to dye-sensitize it. As electrode materials, those materials that are not temperature resistant can be used because they do not need to be exposed to a high temperature sintering process. Materials for forming such electrodes are known to those skilled in the art and include metals, organic materials, highly doped poly (3,4-ethylenedioxidethiophene) (PEDOT or PEDT) and derivatives, and TCO layers. Including (transparent conductive oxide), but not limited. The same applies to the counter electrode, which may be an organic material, a TCO material, and / or a metal such as platinum. Exemplary TCO materials are, but not limited to, FTO, ITO, ZnO, SnO 2 and combinations thereof.

広い種類の可撓性基板が存在することもまた当業者には明らかである。例えば、限定されないが、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリイミド(Kapton)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルイミド(PEI)、ステンレス鋼、OHP(オーバーヘッドトランスパレンシー(overhead transparencies))など、可撓性の、主にポリマーの(鉄鋼を除いて)基板が使用されてよい。   It will also be apparent to those skilled in the art that there are a wide variety of flexible substrates. For example, but not limited to, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyethersulfone (PES), polyimide (Kapton), polyetheretherketone (PEEK), polyetherimide (PEI), stainless steel, OHP Flexible, predominantly polymeric (except steel) substrates such as (overhead transparencies) may be used.

図面が参照される。
発明は、本発明を図解するために存在するが、本発明を限定されるものではない、以下の実施例を参照してさらに説明される。
Reference is made to the drawings.
The invention will be further described with reference to the following examples, which are present to illustrate the invention but are not intended to limit the invention.

実施例1
上述のリフトオフ技術によって形成されたDSSCの模式図が図1に示される。本発明の方法によって製造された代表的なセル(cell)において、基板は透明導電性酸化物層(TCO、約100nm)で被覆されている。TCO上に、約14nmの直径のTiOナノ粒子からなる約100nmの厚みの薄い接着層がTCOともう1つの基板上での焼結の後で基板上に転写された活性多孔質層(多孔質半導体層または転写層)の間の接触を保証する。活性多孔質層は、20nmの粒子(図1の部分I)からなる約8μmの厚いサブ層と20nmと300nmの粒子の混合物(図1の部分II)からなる2μmの厚いサブ層の二重構造からなる。予備の基板から活性層を除去する1つの可能性は、薄い金層の上でそれを焼結することである。焼結の後で、例えばヨウ素/ヨウ化物の混合物で金が溶解され、活性層が溶媒中で予備から真の基板へ転写される。85℃での転写層と接着層の乾燥及び200℃で60kN/cmでの接着層の低温焼結の後で、赤い色素分子(=シス−ビス(イソチオシアネート)ビス(2,2’−ビピリジル−4,4’−ジカルボン酸)ルテニウム(II))が、エタノール中の溶液(0.3mM)からの自己組織化(self−assembling)により単層としてTiOに付着される。酸化還元対として働くヨウ素/ヨウ化物(0.015M)を含めたポリマー電解液(PC/EC中のPEO)で色素増感された多孔質層が満たされる。同じポリマー電解液の6μmの厚いバルク層が多孔質層といかなる種類の基板上に適用された平坦で滑らかな白金膜(50nm)の間のギャップを架橋する。TiO層と白金対極の間の直接の接触を避けるため、例えばガラスからなるボールまたはスペーサ箔の不活性スペーサが2つの電極間に導入される。
Example 1
A schematic diagram of a DSSC formed by the lift-off technique described above is shown in FIG. In a typical cell produced by the method of the present invention, the substrate is coated with a transparent conductive oxide layer (TCO, about 100 nm). An active porous layer (porous) on which a thin adhesive layer of about 100 nm thickness consisting of TiO 2 nanoparticles with a diameter of about 14 nm is transferred onto the substrate after sintering on the TCO and another substrate. Guarantees contact between the semiconductor layer or the transfer layer). The active porous layer is a dual structure of approximately 8 μm thick sublayer consisting of 20 nm particles (Part I in FIG. 1) and 2 μm thick sublayer consisting of a mixture of 20 nm and 300 nm particles (Part II in FIG. 1). Consists of. One possibility to remove the active layer from the spare substrate is to sinter it on a thin gold layer. After sintering, the gold is dissolved, for example with an iodine / iodide mixture, and the active layer is transferred from the preliminary to the true substrate in a solvent. After drying of the transfer and adhesive layers at 85 ° C. and low temperature sintering of the adhesive layer at 200 ° C. and 60 kN / cm 2 , red dye molecules (= cis-bis (isothiocyanate) bis (2,2′- Bipyridyl-4,4′-dicarboxylic acid) ruthenium (II)) is attached to TiO 2 as a monolayer by self-assembly from a solution in ethanol (0.3 mM). A dye-sensitized porous layer is filled with a polymer electrolyte solution (PEO in PC / EC) containing iodine / iodide (0.015 M) that serves as a redox couple. A 6 μm thick bulk layer of the same polymer electrolyte bridges the gap between the porous layer and a flat and smooth platinum film (50 nm) applied on any kind of substrate. In order to avoid direct contact between the TiO 2 layer and the platinum counter electrode, an inert spacer, for example a glass ball or spacer foil, is introduced between the two electrodes.

そのような太陽電池のシミュレートされた太陽光(AM1.5)の100mW/cmでの照明に対する電流−電圧特性が図2に示される。データから7%の最大の電力変換効率を引き出すことができる。図3は、印加圧力の関数としての、効率及び短い回路(short circuit)の電流密度を示す。リフトオフ技術によって形成されなかった加圧された膜に対する以前に報告された結果(Lindstroemら、2001、上記参照)とは対照的に、50kN・cm以上の圧力で効率とJSCがともに飽和する。非リフトオフ層に対しては、最良の値は約5kN/cmというもっとずっと低い圧力に対して報告されている。この相違に対する1つの理由が、図4に示されるような前もって焼結(450℃)されたが転写はされていない層の空隙率及び効率の圧力依存性に見出されるかもしれない。空隙率と効率のいずれも印加された圧力に対する強い依存性を示さず、加圧中でそれらの良好な特性を保つ。しかし、前もって焼結されていない膜に対して、空隙率は圧力に対して大きく減少し、厚みがより厚く、焼結されていないが加圧された膜の、高圧時におけるより悪い性能と早期の効率の飽和の1つの理由となりうる(Lindstroemら、2001、上記参照)。接着層の厚みが薄いことの重要性が、各サイクルが約100nmの層厚に等しいインクジェット印刷されたときの印刷サイクルの数の関数としてリフトオフのセルの効率が示される図5に明示される。印刷サイクルの多い数に対して、効率の大きな減少を見出すことができる。 Current to illumination with 100 mW / cm 2 solar (AM 1.5) simulated in such a solar cell - voltage characteristic is shown in FIG. The maximum power conversion efficiency of 7% can be extracted from the data. FIG. 3 shows the efficiency and short circuit current density as a function of applied pressure. Previously reported results for the membranes under pressure which has not been formed by lift-off technique (Lindstroem et al., 2001, see above) and in contrast, efficiency and J SC in 50 kN · cm 2 or more pressure both saturated . For the non-lift-off layer, the best value is reported for a much lower pressure of about 5 kN / cm 2 . One reason for this difference may be found in the pressure dependence of the porosity and efficiency of previously sintered (450 ° C.) but not transferred layers as shown in FIG. Neither porosity nor efficiency shows a strong dependence on the applied pressure and keeps their good properties in pressurization. However, for membranes that have not been pre-sintered, the porosity is greatly reduced with pressure, and the thicker, unsintered but pressurized membranes have worse performance and early time at high pressures. Can be one reason for the saturation of efficiency (Lindstrom et al., 2001, see above). The importance of a thin adhesive layer is demonstrated in FIG. 5, where the efficiency of the lift-off cell is shown as a function of the number of printing cycles when each cycle is inkjet printed equal to a layer thickness of about 100 nm. A large reduction in efficiency can be found for a large number of print cycles.

実施例2
さらに、転写層を第1基板からリフトオフする前に色素増感された多孔質転写層に対する実験が行われた。形成は、第1実施例に対して記載されたのと似た道筋に従うが、今回は、交互の様式で2つの接着層と2つの転写層と互いの上層に有し、転写層が色素増感されているセルが製造される。層の順は:基板−接着層1−多孔質半導体層1(着色)−接着層2−多孔質半導体層2(着色)である。転写層は、約5μmの厚みのみであり、直径が約20nmの粒子のみの多孔質TiO層からなる。転写層は薄い(約20nm)金層上で焼結され、焼結の後で、赤い色素分子が、エタノール中の溶液(0.3mM)からの自己組織化により単層としてTiOに付着された。それから、金層はヨウ素/ヨウ化物の混合物で溶解された。第1多孔質層(多孔質半導体層1)は、TCO(100nm)及び直径約14nmのTiOナノ粒子からなる100nm厚の薄い層(接着層1)で被覆された基板上に転写された。接着層1はインクジェット印刷技術で適用された。第1接着転写層の室温での乾燥の後で、第2の薄い接着層(接着層2)がインクジェット印刷で適用され、第2の色素増感された多孔質層(多孔質半導体層2)がこの第2接着層上に転写された。室温での第2の乾燥の後で、全ての層がともに、室温で60kN/cmを印加して焼結された。約4%に上る(100mW/cmの照射で)電力変換効率が、そのような前もって着色された多孔質層の転写によって製造されたセルに対して観測された。もう一つの実験では、基板上に転写された第2多孔質層の色素分子が赤い色素分子ではなくて、最大の吸収がより長波長側にシフトする、トリ(イソチオシアネート)(2,2’:6’,2’’−テルピリジル−4,4’,4’’−トリカルボン酸)ルテニウム(II)分子、黒い色素であった。
Example 2
In addition, experiments were conducted on a porous transfer layer that was dye-sensitized before the transfer layer was lifted off from the first substrate. The formation follows a path similar to that described for the first example, but this time with two adhesive layers and two transfer layers on top of each other in an alternating fashion, the transfer layer being dye-enhanced. The felt cell is manufactured. The order of the layers is: substrate-adhesive layer 1-porous semiconductor layer 1 (colored) -adhesive layer 2-porous semiconductor layer 2 (colored). The transfer layer is only about 5 μm thick and consists of a porous TiO 2 layer with only particles having a diameter of about 20 nm. The transfer layer is sintered on a thin (approximately 20 nm) gold layer, and after sintering, red dye molecules are attached to TiO 2 as a monolayer by self-assembly from a solution in ethanol (0.3 mM). It was. The gold layer was then dissolved with an iodine / iodide mixture. The first porous layer (porous semiconductor layer 1) was transferred onto a substrate coated with a 100 nm thick thin layer (adhesive layer 1) consisting of TCO (100 nm) and TiO 2 nanoparticles with a diameter of about 14 nm. The adhesive layer 1 was applied by ink jet printing technology. After drying the first adhesive transfer layer at room temperature, a second thin adhesive layer (adhesive layer 2) is applied by ink jet printing and a second dye-sensitized porous layer (porous semiconductor layer 2) Was transferred onto the second adhesive layer. After the second drying at room temperature, all layers were sintered together by applying 60 kN / cm 2 at room temperature. A power conversion efficiency of up to about 4% (with 100 mW / cm 2 irradiation) was observed for cells made by transfer of such pre-colored porous layers. In another experiment, tri (isothiocyanate) (2,2 ′) in which the dye molecule of the second porous layer transferred onto the substrate is not a red dye molecule and the maximum absorption is shifted to the longer wavelength side. : 6 ′, 2 ″ -terpyridyl-4,4 ′, 4 ″ -tricarboxylic acid) ruthenium (II) molecule, black pigment.

実施例3
さらに、下の部分の球体と上の部分の棒状の形状の粒子の二重の層からなる多孔質転写層に対する実験を行った。これらの複合層は次のように製造した:ガラス基板上の薄い金層上に、まず、20nmの球体からなる約5μm厚の多孔質層がスクリーン印刷で塗布された。80℃での乾燥の後で、球体の層の上に、長さが約100nmで直径が約20nm(最長軸:最短軸の比=5)の棒状体からなる約5μm厚の多孔質層が塗布された。それから全層が450℃で焼結された。それらのSRCLは、上述のリフトオフ技術、例えば、金溶解性の電解液中への浸漬による金層の除去によって製造されたDSSCでのさらなる使用のためにリフトオフできた。それらはまた、図8(b)に示す実験に用いられた。これらの実験で、球−棒複合層のリフトオフが、上下の両サブ層とも球体からなる標準的な二重の層と比較された。種々の予備の基板から除去された相対的な膜領域が、金溶解性電解液中の層の浸漬の期間の関数として示され、球−棒複合層の除去は、SRCLに対する1分における層除去の急な始まり(onset)と標準的な層に対する追加の力なしでの実験の時間スケール内での除去なしで示されるように標準的な層よりずっと容易である。
Example 3
Further, an experiment was conducted on a porous transfer layer composed of a double layer of a sphere in the lower part and a rod-shaped particle in the upper part. These composite layers were produced as follows: On a thin gold layer on a glass substrate, a porous layer of about 5 μm thickness consisting of 20 nm spheres was first applied by screen printing. After drying at 80 ° C., a porous layer having a thickness of about 5 μm composed of a rod-like body having a length of about 100 nm and a diameter of about 20 nm (longest axis: shortest axis ratio = 5) is formed on the spherical layer. Applied. All layers were then sintered at 450 ° C. Those SRCLs could be lifted off for further use in the DSSCs produced by the lift-off techniques described above, for example, removal of the gold layer by immersion in a gold soluble electrolyte. They were also used in the experiment shown in FIG. 8 (b). In these experiments, the lift-off of the sphere-bar composite layer was compared to a standard double layer consisting of spheres in both the upper and lower sublayers. The relative membrane area removed from the various spare substrates is shown as a function of the duration of the layer immersion in the gold soluble electrolyte, and the removal of the sphere-bar composite layer is the layer removal at 1 minute relative to SRCL. Is much easier than the standard layer, as shown without onset and removal within the time scale of the experiment without additional force on the standard layer.

明細書、請求項及び/または添付の図面に開示された本発明の特徴は、単独、それらの組み合わせともに、それらの種々の形態で発明を実現するために影響を及ぼしうる。   The features of the invention disclosed in the description, the claims and / or the accompanying drawings, both alone and in combination, can affect the implementation of the invention in their various forms.

図1は、本発明によって記載された転写技術/リフトオフ技術によって形成されたセルの概略図を示す。FIG. 1 shows a schematic diagram of a cell formed by the transfer / lift-off technique described by the present invention. 図2は、リフトオフで製造された、即ち、本発明によって製造されたDSSCのI−V特性を示す。接着層の焼結のために印加された温度は200℃であり、印加された圧力は60kN/cmであり、シミュレートされた100mW/cm、AM1.5の太陽光で測定された。FIG. 2 shows the IV characteristics of a DSSC manufactured with lift-off, ie manufactured according to the present invention. The applied temperature for sintering of the adhesive layer was 200 ° C., the applied pressure was 60 kN / cm 2 , measured with simulated 100 mW / cm 2 AM1.5 sunlight. 図3は、本発明に係るDSSCの、印加圧力の関数としての、効率及び短い回路(short circuit)の電流密度JSCを示す。加圧温度は室温であり、硫黄ランプ(sulfur lamp)を用いて100mW/cmの白色光で測定された。3, the DSSC according to the present invention, as a function of the applied pressure, the current density J SC efficiency and short circuit (short Circuit) shown. The pressurization temperature was room temperature and measured with white light of 100 mW / cm 2 using a sulfur lamp. 図4は、本発明に係るDSSCの、印加圧力の関数としての、効率及び相対的な空隙率を示す。加圧温度は室温とした。100%の相対的空隙率は、いかなる外的圧力が印加される前のセルの空隙率を意味する。FIG. 4 shows the efficiency and relative porosity of the DSSC according to the present invention as a function of applied pressure. The pressurizing temperature was room temperature. A relative porosity of 100% means the porosity of the cell before any external pressure is applied. 図5は、本発明に係るロフトオフセルの、接着層の厚みの関数としての、効率を示す。セルは200℃で焼結されただけで、圧力は印加されていない。FIG. 5 shows the efficiency of the loft-off cell according to the invention as a function of the adhesive layer thickness. The cell was only sintered at 200 ° C. and no pressure was applied. 図6は、本発明に係るSRCLの概略図と走査型電子顕微鏡写真である。FIG. 6 is a schematic diagram and a scanning electron micrograph of SRCL according to the present invention. 図7は、TiOナノ球体の鎖とTiOナノ棒状体の鎖の概略を示す。ナノ棒状態の場合には、[001]方向がより寄与する。Figure 7 shows a schematic of a chain of TiO 2 nanospheres chains and TiO 2 nano rod-shaped body. In the nanorod state, the [001] direction contributes more. 図8(a)は、ナノ棒状体サブ層における、ナノ球体のサブ層と比較した、恐らく異なる熱膨張に起因する改善されたリフトオフの概略を示し、図8(b)は、標準的な二重の層(異なる大きさで同じ形状の粒子を有する)と本発明に係る球−棒複合層をリフトオフするのに必要な時間の比較を示す。FIG. 8 (a) shows an overview of the improved lift-off in the nanorod sublayer, possibly due to different thermal expansion, compared to the nanosphere sublayer, and FIG. A comparison of the time required to lift off a heavy layer (having differently sized particles of the same shape) and a sphere-bar composite layer according to the present invention is shown.

Claims (35)

a)第1基板上に、接着層に付けられた多孔質半導体層と前記第1基板の間の電気的かつ機械的な接触を供することができる接着層を形成する工程と、
b)第2基板上に多孔質半導体層を形成する工程と、
c)前記多孔質半導体層を前記接着層上に転写する工程と
を有し、
前記接着層は、半導体粒子の層である
基板上での多孔質半導体膜の製造方法。
a) forming on the first substrate an adhesive layer capable of providing electrical and mechanical contact between the porous semiconductor layer attached to the adhesive layer and the first substrate;
b) forming a porous semiconductor layer on the second substrate;
c) transferring the porous semiconductor layer onto the adhesive layer;
The adhesive layer is a layer of semiconductor particles. A method for producing a porous semiconductor film on a substrate.
工程b)またはc)の後で、nは2〜100の整数であって、第3、第4、第5、・・・第n、第n+1基板上に、第2、第3、第4、・・・第n多孔質半導体層を形成する工程と、前記第2、第3、第4、第5、・・・第n多孔質半導体層を前記第1、第2、第3、第4、・・・第n−1多孔質半導体層上にそれぞれ転写する工程を有する
請求項1に記載の基板上での多孔質半導体膜の製造方法。
After step b) or c), n is an integer from 2 to 100, and on the third, fourth, fifth,... Nth, n + 1th substrate, the second, third, fourth. ... forming the nth porous semiconductor layer; and the second, third, fourth, fifth, ... nth porous semiconductor layers in the first, second, third, The manufacturing method of the porous semiconductor film on the board | substrate of Claim 1. It has the process of transcribe | transferring on 4, n-1th porous semiconductor layer, respectively.
工程b)またはc)の後で、ひとつ、いくつか、または、第2、第3、第4、第5、・・・第n多孔質半導体層のそれぞれの上に、上層に次の半導体層がそれぞれ転写される、さらなる接着層を形成する工程を有する
請求項2に記載の基板上での多孔質半導体膜の製造方法。
After step b) or c), one, some, or second, third, fourth, fifth,... Each of the next semiconductor layers on top of each of the nth porous semiconductor layers The method for producing a porous semiconductor film on a substrate according to claim 2, further comprising the step of forming a further adhesive layer to which each of the above is transferred.
工程c)が、
ca)前記多孔質半導体層を前記第2基板から分離する工程と、
cc)前記第2基板なしで前記多孔質半導体層を前記接着層上に転写する工程と
を有する請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
Step c)
ca) separating the porous semiconductor layer from the second substrate;
The method according to any one of claims 1 to 3, further comprising: cc) transferring the porous semiconductor layer onto the adhesive layer without the second substrate.
工程c)が、工程ca)と工程cc)の間に、cb)前記多孔質半導体層を着色する工程を有する請求項4に記載の方法。  5. The method of claim 4, wherein step c) comprises the step of cb) coloring the porous semiconductor layer between step ca) and step cc). 工程b)が、
ba)印刷法、ドクターブレード法、ドロップキャスト法、スピンコート法、インクジェット法、及びスプレー法から選択された方法により、前記第2基板上に前記多孔質半導体層を形成する工程と、
bb)前記多孔質半導体層を焼結する工程と
を有する請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
Step b)
ba) printing method, de compactors blading, drop casting, spin coating method, an inkjet method, and by a process selected from spraying, a step of forming the porous semiconductor layer on the second substrate,
bb) sintering the porous semiconductor layer. The method according to any one of claims 1 to 5.
工程b)が、工程bb)の後、bc)前記多孔質半導体層を着色する工程を有する
を有する請求項6に記載の方法。
The method according to claim 6, wherein step b) comprises after step bb): bc) coloring the porous semiconductor layer.
工程a)において、前記接着層は、印刷法、ドクターブレード法、ドロップキャスト法、スピンコート法、及びスプレー法から選択された方法により、前記第1基板上に前記接着層を形成する
請求項1〜7のいずれかに記載の方法。
2. In step a), the adhesive layer is formed on the first substrate by a method selected from a printing method, a doctor blade method, a drop cast method, a spin coating method, and a spray method. The method in any one of -7.
工程ca)は、前記多孔質半導体層を前記第2基板からリフトオフする工程を有する
請求項4〜8のいずれかに記載の方法。
The method according to claim 4, wherein step ca) includes a step of lifting off the porous semiconductor layer from the second substrate.
リフトオフは、前記第2基板またはその一部の前記多孔質半導体層からの除去によりなされる
請求項9に記載の方法。
The method according to claim 9, wherein the lift-off is performed by removing the second substrate or a part thereof from the porous semiconductor layer.
前記除去は、少なくとも物理的方法または化学的方法によってなされる
請求項10に記載の方法。
The method according to claim 10, wherein the removal is performed by at least a physical method or a chemical method.
前記多孔質半導体層は濡れたまたは乾燥した状態である間に、工程c)の前記転写がなされる
請求項1〜11のいずれかに記載の方法。
The method according to claim 1, wherein the transfer of step c) is performed while the porous semiconductor layer is in a wet or dry state.
前記転写はロールトゥーロール技術によって達成される
請求項12に記載の方法。
The method of claim 12, wherein the transfer is accomplished by a roll-to-roll technique.
追加で、
d)前記第1基板、前記接着層、及び前記多孔質半導体層を、その順で互いの上層に有する複合体を少なくとも焼結または加圧する工程
を有する請求項1〜13のいずれかに記載の方法。
In addition,
The step of d) sintering or pressing at least a composite having the first substrate, the adhesive layer, and the porous semiconductor layer as an upper layer in that order. Method.
工程bb)の前記焼結は、300℃〜500℃の範囲の温度でなされる
請求項6〜14のいずれかに記載の方法。
The method according to any one of claims 6 to 14, wherein the sintering of step bb) is performed at a temperature in the range of 300C to 500C.
工程d)の少なくとも前記焼結は、50℃から200℃以下の温度範囲で行う、または前記加圧は、0〜12×10N/cmの範囲の圧力で行う
請求項14〜15のいずれかに記載の方法。
16. At least the sintering in step d) is performed in a temperature range of 50 ° C. to 200 ° C., or the pressurization is performed in a pressure range of 0 to 12 × 10 4 N / cm 2 . The method according to any one.
前記接着層は、酸化物粒子の層である
請求項1〜16のいずれかに記載の方法。
The method according to claim 1, wherein the adhesive layer is a layer of oxide particles.
前記多孔質半導体層は、半導体粒子の層である
請求項1〜17のいずれかに記載の方法。
The method according to claim 1, wherein the porous semiconductor layer is a layer of semiconductor particles.
前記多孔質半導体層は、10nm〜1000nmの範囲の大きさを有する半導体粒子を有する
請求項1〜18のいずれかに記載の方法。
The method according to claim 1, wherein the porous semiconductor layer has semiconductor particles having a size in a range of 10 nm to 1000 nm.
前記多孔質半導体層は、窒素吸着技術で測定される30%〜80%の範囲の空隙率を有する
請求項1〜19のいずれかに記載の方法。
The method according to claim 1, wherein the porous semiconductor layer has a porosity ranging from 30% to 80% as measured by a nitrogen adsorption technique.
前記多孔質半導体層は第1サブ層と前記第1サブ層に隣接する第2サブ層を有する複合層であり、前記第1サブ層は球形のナノ粒子を有し、前記第2サブ層は延伸した棒状のナノ粒子を有する
請求項1〜20のいずれかに記載の方法。
The porous semiconductor layer is a composite layer having a first sublayer and a second sublayer adjacent to the first sublayer, the first sublayer includes spherical nanoparticles, and the second sublayer includes: The method according to claim 1, comprising stretched rod-shaped nanoparticles.
前記球形のナノ粒子は10nm〜500nmの範囲の大きさを有し、前記延伸した棒状の粒子は最も長い局面に沿って10nm〜500nmの平均の長さを有する
請求項21に記載の方法。
The method of claim 21, wherein the spherical nanoparticles have a size in the range of 10 nm to 500 nm, and the elongated rod-like particles have an average length of 10 nm to 500 nm along the longest aspect.
基板上の前記多孔質半導体膜において、前記第1サブ層は前記接着層に面し、前記第2サブ層は前記接着層からさらに除去される
請求項21〜22のいずれかに記載の方法。
The method according to claim 21, wherein in the porous semiconductor film on the substrate, the first sub layer faces the adhesive layer, and the second sub layer is further removed from the adhesive layer.
前記第1及び第2サブ層はそれぞれ1μm〜20μmの範囲の厚みを有する
請求項21〜23のいずれかに記載の方法。
24. A method according to any of claims 21 to 23, wherein the first and second sub-layers each have a thickness in the range of 1 [mu] m to 20 [mu] m.
前記基板は、350℃以上の温度に耐えうる基板である
請求項1〜24のいずれかに記載の方法。
The method according to claim 1, wherein the substrate is a substrate that can withstand a temperature of 350 ° C. or higher.
前記第2基板は、ガラスまたは金属から形成されている
請求項25に記載の方法。
The method according to claim 25, wherein the second substrate is made of glass or metal.
前記第2基板は、さらにスペーサ層を有し、その上層に前記多孔質半導体層が設けられる
請求項25〜26のいずれかに記載の方法。
The method according to any one of claims 25 to 26, wherein the second substrate further includes a spacer layer, and the porous semiconductor layer is provided thereon.
前記スペーサ層は少なくとも化学的または物理的方法で除去されることが可能であり、それによって前記多孔質半導体層のリフトオフが可能になる
請求項27に記載の方法。
28. The method of claim 27, wherein the spacer layer can be removed at least by chemical or physical methods, thereby allowing lift-off of the porous semiconductor layer.
前記スペーサ層は、有機、無機、金属、あるいはそれらの組み合わせである
請求項27〜28のいずれかに記載の方法。
The method according to any one of claims 27 to 28, wherein the spacer layer is organic, inorganic, metal, or a combination thereof.
前記スペーサ層は、金属から形成され、その除去は酸化によって行われる
請求項29に記載の方法。
30. The method of claim 29, wherein the spacer layer is formed from metal and removal is performed by oxidation.
前記多孔質半導体層は1μm〜50μmの範囲の厚みを有する
請求項1〜30のいずれかに記載の方法。
The method according to claim 1, wherein the porous semiconductor layer has a thickness in the range of 1 μm to 50 μm.
前記接着層は、10nm〜100nmの範囲の大きさを有する半導体粒子の層である
請求項1〜31のいずれかに記載の方法。
The method according to claim 1, wherein the adhesive layer is a layer of semiconductor particles having a size in a range of 10 nm to 100 nm.
前記接着層は、10nm〜1μmの範囲の厚みを有する
請求項1〜32のいずれかに記載の方法。
The method according to claim 1, wherein the adhesive layer has a thickness in the range of 10 nm to 1 μm.
前記第1基板は可撓性の材料から形成されている
請求項1〜33のいずれかに記載の方法。
The method according to claim 1, wherein the first substrate is made of a flexible material.
電子デバイスの製造のための請求項1〜34のいずれかに記載の方法の使用。  35. Use of the method according to any of claims 1 to 34 for the manufacture of an electronic device.
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